PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ

Transkrypt

1 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 22 ODSTAWY FZYCZE EERGETYK JĄDROWEJ ( jak powstaje energia jądrowa ) Stanisław Drobniak STYTT MASZY CELYCH 1. rzegląd podstawowych pojęć. 2. Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia. 3. Opis reakcji rozszczepienia. 4. Moderatory. 5. Wytwarzanie paliwa jądrowego. 6. raktyczna realizacja reakcji jądrowej ( pręty paliwowe ).

2 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 23 Energetyka jądrowa Jednostki używane w fizyce jądrowej: j.m.a. (jednostka masy atomowej) = 12 1 masy atomu C = 1, [ kg ] Równoważność masy i energii: E = m c 1 j.m.a. = 931, MeV 1 ev = 1, J = energia jaką nabywa ładunek elementarny ładunek elektronu w polu o różnicy potencjałów 1 V 2 odsumowanie: jednostka masy - 1 j.m.a. jednostka energii - 1 ev (lub częściej) - 1 MeV (10 6 ev)

3 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 24 odstawowe pojęcia i oznaczenia używane w fizyce jądrowej: Z (liczba protonów) MA (liczba neutronów) jądro atomowe A=Z+ X Z liczba masowa liczba atomowa M p = 1, j.m.a M = 1, j.m.a. M e = 1/1840 Mp Z+ 1 Z+ 2 Z X Z X... - izotopy Z M p + M M A M = Z M p + M - M A defekt masy (dlaczego?) energia wiązania E w siły elektrostatyczne (odpychające) siły jądrowe (przyciągające) M E w defekt masy energia wiązania

4 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 25 dostarczenie energii wiązania rozszczepienie jądra energia wiązania Ew Ek energia kinetyczna poruszających się cząstek ( może zamienić się w ciepło!!! ) E w = E k (zasada zachowania energii) Zasady obowiązujące przy rozszczepieniu jądra i innych przemianach jądrowych: - zasada zachowania nukleonów - zasada zachowania ładunku - zasada zachowania pędu i krętu - zasada zachowania masy i energii

5 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 26 Skąd powstaje energia jądrowa? X Y hipotetyczna hipotetyczna przemiana rozszczepienia jądra jądra E w1 (energia wiązania na jeden nukleon) [M ev] Ew A( masa atomowa ) (E w1 ) 238 = 7,5 MeV (E w1 ) 119 = 8,4 MeV zysk energii wiązania na 1 nukleon: E w1 =8,4 7,5 = 0,9 MeV całkowity zysk energii z rozpadu atomu 238 0,9 = 214 MeV dane z wykresu : energia rozszczepienia

6 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 27 energia rozszczepienia: 214 MeV = , [J] = 3, [J] wartość opałowa najlepszego węgla: W u = 34,5 [kj/kg] 3, [J/kg] ile atomów węgla należałoby spalić, aby uzyskać energię równoważną energii rozszczepienia jednego 238 atomu? masa atomowa węgla: tzn.: ilość atomów węgla C , [kg] 3, [kg] = ( 7 ) ( 26 3, ) = 5 10 = 50 mln atomów węgla!!! 11 3, = = 1 10 [kg] 7 3,

7 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 28 W jaki sposób dostarczyć energię wiązania do jądra atomowego? eutron (pozbawiony ładunku) brak sił odpychania elektrostatycznego Swobodny neutron - prędkość tys. km/h energia swobodnego neutronu > 1 MeV (prędkość: km/s) Swobodny strumień neutronów: okres półrozpadu 12,8 min W reaktorze: czas życia neutronu ~ 0,001 s waga: Rozpad neutronu proton elektron antyneutrino ν

8 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 29 Reakcje wywołane uderzeniem neutronu w jądro atomowe rozszczepienie (energia) typ reakcji: reakcja ( n, f ) F produkty rozszczepienia: - neutrony - fotony jadro atomu typ reakcji: rozpraszanie neutronów (n, n ) neutron o zmienionej energii lub kierunku typ reakcji: absorpcja neutronu foton lub proton lub czastka V typ reakcji: reakcja (n, 2n) lub (n, 3n) ( n; 2n ) ( n; 3n ) waga: możliwa reakcja łańcuchowa

9 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 30 W jaki sposób jądro neutronu przekazuje energię jądru atomowemu? E poziomy dozwolone podstawowy poziom energetyczny jadra ( najniższy poziom energii ) dostarczenie energii: oddanie energii: foton lub proton lub neutron itp E E atom wzbudzony (przejścia na wyższy poziom energetyczny) powrót do stanu podstawowego jadra atomów lekkich: jadra atomów ciezkich: E duza odleglosc miedzy poziomami duża odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi E blisko położone poziomy mała odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi łatwość przejmowania energii

10 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Jakie jest prawdopodobieństwo reakcji rozszczepienia? miara mikroskopowy przekrój czynny na reakcję rozszczepienia: R σ i f = n v n - gęstość neutronów monoenergetycznych (liczba neutronów o jednostkowej energii w jednostce objętości) - liczba jąder atomowych w jednostce objętości v - prędkość neutronów R i liczba reakcji w jednostce objętości i czasu 31 σ f Charakterystyka Wnioski: - struktura rezonansowa w zakresie 1 ev 1 kev (zakres neutronów termicznych; tzn. ν ~ 2 km/s) - σ f ~ E konieczność zwolnienia neutronów do zakresu termicznego E [ev] - energia neutronu zakres termiczny (możliwość uzyskania ciepła) Rezonanse przechodzenie w stan wzbudzony

11 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 32 Charakterystyka σ f 1,5 1,0 0, prog E [MeV] Wnioski: - reakcja typu progowego - σ f ~ E -σ f 1000-krotnie mniejszy niż dla 92 (znacznie mniejsze prawdopodobieństwo reakcji) Wnioski: - uran 238 znacznie mniej wartościowym paliwem niż - możliwość uzyskania energii cieplnej z pod warunkiem, że neutrony bombardujące będą zwalniane do zakresu termicznego waga: naturalny uran zawiera 0,7% (konieczność wzbogacania uranu)

12 EERGETYKA EKOLOGA problem: Część - EERGETYKA 33 - jak zwolnić neutrony do zakresu termicznego? paliwo woda E5 E1 E4 H H H E2 E3 H wyhamowanie neutronu zderzenia z jądrami atomów H (oddziaływanie sprężyste) neutron ściana (tzw. koszulka) E 5 < E 4 < E 3 < E 2 < E 1 woda moderator (ośrodek spowalniający neutrony) jednocześnie: - woda wyhamowując neutrony odbiera ich energię dotyczy to także neutronów, które nie będą powracać do paliwa - przejmowanie energii przez wodę to jej ogrzewanie tzn. woda czynnik roboczy waga: obraz bardzo uproszczony

13 EERGETYKA Część - EERGETYKA EKOLOGA Obraz bliższy rzeczywistości: Moderator H 2 O σ s - przekrój czynny jąder H 2 na rozpraszanie 34 neutronów σ s energia energia neutronów neutronów prędkich prędkich (emitowanych przez paliwo) znikomo mały przekrój czynny znikomo mały przekrój czynny neutrony o bardzo dużej energii nie są efektywnie zwalniane na jądrach pierwiastków lekkich etap zwalniania neutronów rozpraszanie na jądrach pierwiastków ciężkich - w samym paliwie - dodatek kwasu borowego do moderatora w okresie pracy reaktora (po załadowaniu paliwa) tzw. moderator przestrzenny E (bor) (oddziaływanie niesprężyste) poziomy bardzo bliskie ciągłe widmo neutronów waga: reakcja typu progowego Ε

14 EERGETYKA EKOLOGA problem: - jak zdobyć uran 92 Część - EERGETYKA uran naturalny ,28% - - 0,71% Schemat przerobu rudy uranowej: Wydobycie rudy ranowej Koncentrat 3 O 8 rzerób 3 O 8 F 6 Wzbogacenie F 6 ajtrudniejsze Ogniwo procesu rzerób F 6 O 2 paliwo jądrowe

15 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 36 Metoda dyfuzji gazowej F 6 - gaz (zawierający ,71% ) o jednokrotnym przejściu: ,5% F 6 mniejszy ciężar cząsteczkowy F 6 p (mieszanina p 92 F 6 gazowa) większa prędkość dyfuzji ciśnienie membrana półprzepuszczalna wielokrotna dyfuzja ~ 4-5% (do celów energetycznych) wzbogacenie ~90% (do celów doświadczalnych militarnych)

16 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 37 Charakterystyka metody: - olbrzymie koszty (aparatura, energia) - instalacje o olbrzymich gabarytach - proces bardzo trudny - wymaga bardzo zaawansowanych technologii produkcja membran półprzepuszczalnych SA - zakłady rządowe ERODF - Francja (założyciel), Włochy, Belgia, Hiszpania, ran waga: produktem ubocznym wiele użytecznych technologii (np. odsalanie wody)

17 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Metoda odwirowania - ultrawirówki - rozdział grawitacyjny wykorzystujący różnice gęstości obszar wewnętrzny (większa koncentracja ) odsysanie obszar zewnętrzny (większa koncentracja ) 238 mniejsza masa mniejsza siła odśrodkowa 238 większa masa większa siła odśrodkowa Charakterystyka metody: - mniejsze nakłady kapitałowe - miniaturyzacja aparatury - większa wydajność metody - wyższe koszty produkcji niż dla dyfuzji gazowej SA - zakłady rządowe renco - Wielka Brytania, Holandia, RF

18 EERGETYKA EKOLOGA 3. Metoda laserowa Część - EERGETYKA 39 promień laserowy 0 92 ładunek elektryczny elektrody Charakterystyka metody: - miniaturyzacja aparatury (niebezpieczeństwo proliferacji) - możliwość wydzielenia do 90% całkowitej ilości (metody poprzednie do 60%) - metoda ciągle w stadium prób tzw. rozwinięta separacja izotopów (technologia rozwijana m.in. przez Exxon uclear Co) 92

19 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Reakcje rozszczepienia ajbardziej powszechna reakcja: Sr -6 γ 10 s Xe Bilans energetyczny rozszczepienia: 1) Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia 168 MeV 2) Energia kinetyczna neutronów natychmiastowych 5 MeV 3) Energia fotonów natychmiastowych 7 MeV 4) Energia z rozpadu β produktów rozszczepienia: Okresy półrozpadu Sr - 28 lat Xe - 5 dni - Fotony γ 7 MeV - cząstki β 8 MeV - antyneutrina 12 MeV 207 MeV Etapy 1 3 Etap 4 92,5% energii 7,5% energii (w tym energia kinetyczna Sr i Xe 85%) Możliwy odzysk 95% w postaci ciepła!!!

20 EERGETYKA EKOLOGA nne możliwe reakcje rozpadu: Część - EERGETYKA n 92 Kr36 + Ba56 + 3n waga: obraz uproszczony w rzeczywistości kilkadziesiąt produktów rozpadu!!! przykład: reakcja : materiał nierozszczepialny (!!! ) neptun ( nie występuje ani w naturze ani w tablicy okresowej pierwiastków ) pluton rozszczepialny (!!! )

21 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Materiał rozszczepialny pręty paliwowe 42 0,04 MW (moc cieplna) (40 kw) 160 pastylki paliwowe 0,11 0,69 6, stop cyrkonu - mały przekrój czynny na wychwyt neutronów - duża wytrzymałość - odporność na promieniowanie ksenon - wzrost ciśnienia ( do stu kilkudziesięciu bar ) początkowo - wypełnienie helem φ 9,1 pastylka paliwowa φ 7,5 φ 1,5

22 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Węgiel kamienny wartość opałowa ~ kj/kg ~ kj/kg moc cieplna pręta 40 kw energia wytworzona w ciągu 3 lat eksploatacji = kwh = kwh = , kws = 3, kj ile węgla należy spalić dla uzyskania tej samej ilości ciepła: 9 3,6 10 kj 5 3 = 1 10 = kg 4 3,0 10 kj / kg odsumowanie: = 100 ton węgla dla wytworzenia tej samej energii 1 kg 9000 ton węgla elektrownia cieplna 1000 MW: 9000 ton węgla/dobę elektrownia nuklearna 1000 MW: 100 kg prętów paliwowych/dobę (wzbogacenie 3 4 %) tzn: równoważnik 3 kg /dobę bo sprawność ~ 30% 43

23 EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 43a Emisja zanieczyszczeń (porównanie elektrowni węglowych i jądrowych) rzykład: elektrownia o mocy 1000 MW (emisja roczna) SO 2 O x elektrownia węglowa 138 tys t 20,9 tys t elektrownia jądrowa substancje 0,03 Ci 5, Ci promieniotwórcze (Ra 226 ; Ra 228 ) (Xe 133 ; Kr 85 ) Dopuszczalne normy Ci = 3, [s -1 ] SO 2 0,064 mg/m 3 O x 0,022 mg/m 3 substancje promieniotwórcze Ci/m 3 rezultat: objętość skażonego powietrza elektrownia węglowa SO 2 2, km 3 O x 9, km 3 elektrownia jądrowa substancje 55 km 3 promieniotwórcze km 3 (5500 razy mniej!!!)